Medios de Cultivo y Fermentaciones: Tipos y Características

Tipos de Medios de Cultivo

Según su Origen

• Naturales: Existen como tal en la naturaleza (leche, suero, sangre, agua, etc.). Son siempre complejos.
• Artificiales: Se preparan a partir de diversos componentes; pueden ser:
  • Sintéticos o químicamente definidos: Se preparan con sustancias puras y en cantidades conocidas.
  • Complejos o químicamente indefinidos: Se preparan con ingredientes cuya composición se conoce solo de forma aproximada (suero, sangre, extracto de levadura, extracto de carne, peptonas, etc.).

Según su Finalidad

• Comunes o generales: Para el cultivo de un amplio rango de bacterias (u hongos). Pueden ser sólidos o líquidos, para aislamiento no selectivo o mantenimiento, etc.
• Especiales:
  • Enriquecidos: Medios adicionados de sangre, suero, yema de huevo, etc. para cultivar microorganismos nutricionalmente exigentes.
  • Selectivos:
    • Para enriquecimiento: Medios líquidos, permiten el crecimiento de varios microorganismos de una muestra, pero favorecen a alguno que está en muy baja proporción.
    • Para aislamiento: Medios sólidos que contienen algún componente que favorece el desarrollo de un grupo, inhibiendo a otro.
  • Diferenciales: Contienen algún componente que permite distinguir entre dos o más tipos de microorganismos por características diferenciales de crecimiento (ej. color de la colonia).

Nutrientes: Consideraciones Importantes

• Bajo costo.
• Fácil obtención.
• Disponibilidad en cantidad y abastecimiento.
• Transporte.
• Homogeneidad.
• Estabilidad y facilidad de almacenamiento.
• Condiciones de preparación o pretratamiento.
• Condiciones de esterilización.

Métodos para la Optimización de Medios de Cultivo

Método Estequiométrico

• Balance de masa:
  • Material que ingresa al sistema: nutrientes, oxígeno.
  • Material que sale del sistema: desecho o lodo, CO2 y CH4.
• Ecuaciones estequiométricas: Balance químico que describe la oxidación biológica de un desecho orgánico. Ej. Desecho caseína.

Método Experimental

• Ventajas:
  • Método sencillo.
  • No se necesita personal entrenado.
  • Se pueden usar diferentes concentraciones.
• Desventajas:
  • Necesita mucho personal.
  • Se requiere mucho tiempo.
  • Es muy laborioso.
  • Concentraciones alejadas del óptimo.
  • Los ensayos no consideran factores o variables externas.

Método Pluridireccional

• Screening.
• Escalamiento.
• Optimización final.

Fermentaciones

Proceso de obtención de un producto o metabolito de interés mediante el crecimiento de un microorganismo en un medio de cultivo o de fermentación. Pueden ser:

• Naturales: Cuando las condiciones ambientales permiten la interacción de los microorganismos y los sustratos orgánicos susceptibles.
• Artificiales: Cuando el hombre propicia condiciones y el contacto referido.

Tipos de Fermentaciones

• Según el proceso:
  • Cultivo tipo discontinuo (batch).
  • Cultivo tipo lote alimentado (fed-batch) o semi-continuo.
  • Cultivo tipo continuo.
• Según forma:
  • Fermentación con cultivos puros.
  • Fermentaciones con cultivos mixtos.
• Según constitución:
  • Fermentación con cultivos sumergidos.
  • Fermentaciones con cultivos de sustrato sólido.

Fermentación Discontinua Tipo Batch

• Considerado como sistema cerrado.
• Los microorganismos se inoculan en medio de prefermentación.
• El inóculo va al medio de fermentación.
• No se añade nada durante la fermentación, excepto: oxígeno, antiespumante, ácidos o bases.
• Conforme transcurre el tiempo, la concentración de sustrato, de biomasa y producto varían como resultado del metabolismo de la célula.
• En la curva de crecimiento se describen las fases:
  • Latencia.
  • Logarítmica.
  • Estacionaria.
  • Muerte.

Fermentación Discontinua de Lote Alimentado

• Usado en producción de penicilina.
• Se adiciona sustrato continuamente durante la fermentación.
• Se puede suprimir la formación de catabolitos (represión catabólica).
• Control de fermentación por parámetros indirectos relacionados con sustrato crítico.
• Usado para incrementar productividad.

Fermentación Continua

• Son sistemas abiertos.
• La solución nutritiva estéril se añade continuamente al biorreactor y una cantidad equivalente de solución utilizada de los nutrientes, con los microorganismos, se saca simultáneamente del sistema.

Clases de Fermentaciones Continuas

• Mezclado homogéneamente: Utilizado como un quimiostato o un turbidostato.
• Flujo de tapón: Fluye a través de un reactor tubular sin mezclado.

Cultivo Continuo (Sistemas Abiertos): Quimiostato

• Condiciones de equilibrio: La pérdida de células que sale es balanceada por el crecimiento del microorganismo.
• Velocidad de flujo (D): Velocidad de flujo volumétrico a través del volumen del fermentador. Volumen que ingresa y sale.

Prerrequisitos de Operación y Técnicas

• Necesario alcanzar y mantener un flujo permanente y constante.
• No deben haber cambios en la concentración de S, número de células y la concentración intracelular de metabolitos.
• Contar con un equipo perfecto y fiable.

Cinética de Fermentación Mixta

• Población microbiana mixta.
• Sistema donde ocurre selección natural.
• Sistema determina qué organismo sobrevive y predomina.

Clasificación de Tipos de Interacciones Microbianas

• Competición: Una comunidad de dos o más especies están limitándose mutuamente. Ellos dependen de factores externos comunes.
• Comensalismo: El crecimiento de una especie es promovida por la presencia de una segunda especie en una población.
• Mutualismo: Ambos microorganismos crecen más rápido cuando están juntos que cuando están separados. Puede deberse a factores de crecimiento o productos que sirven como productos.
• Sinergismo: Es un tipo de comensalismo en los cuales la formación de productos específicos es mayor en cultivos mixtos que en puros.
• Amensalismo: El crecimiento de una especie es reprimida por la presencia de sustancias mixtas producidas por otros.
• Neutralismo: Ambas especies no tienen un efecto observable sobre el otro.
• Simbiosis: Asociación mutualista, es necesario que uno de ellos sobreviva para la sobrevivencia del otro.
• Parasitismo: Ocurre cuando un microorganismo se alimenta y reproduce a expensas de los fluidos del tejido y del cuerpo del otro.

Competencia por el Mismo Sustrato Limitante de Crecimiento

• Libre competencia: Dos especies compiten por el mismo sustrato limitante. Está determinada por la concentración del sustrato limitante sobre la tasa específica de crecimiento de cada especie.
• En un cultivo batch, donde la concentración inicial del sustrato limitante es mucho mayor que el valor de Ks, cada especie crecerá a su máxima tasa hasta que el sustrato se agote.
• En un cultivo continuo, el organismo con tasa de crecimiento más rápida desplaza al otro del medio.